《电子技术应用》

一种基于超高频RFID的无线无源压力传感器

2017年电子技术应用第11期
王 峥1,2,3,王 鹤1,2,3,邓昌晟4,刘 昱4,杜泽保4,王小松4,欧清海3,赵俊峰5,夏元轶5
(1.北京智芯微电子科技有限公司,国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室,北京100192; 2.北京智芯微电子科技有限公司,北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心,北京100192; 3.国网信息通信产业集团有限公司,北京 102211; 4.中国科学院微电子研究所,新一代射频通信芯片技术北京市重点实验室,北京100029; 5.国网江苏省电力公司信息通信分公司,江苏 南京210000)
摘要: 电力设备在长期运行中,受环境影响,可能会发生失压、形变现象。针对这种现象,设计了一种基于UHF RFID的无线无源压力传感器,能够在不接触电力设备的情况下获得设备的表面压力信息。基于UHF RFID的压力传感器标签主要由阻抗自适应RFID芯片、UHF 频段RFID偶极子天线、金属极板和支撑弹簧构成。电力设备的形变会导致安装在设备上的金属极板与偶极子天线的相对位置变化,导致RFID天线的阻抗变化,RFID芯片内部会通过自动调节输入阻抗电容以匹配RFID天线阻抗的变换。通过检测RFID芯片内部匹配阻抗的电容值,可以推出电力设备的形变情况,形成一一对应的关系,从而实现无线无源压力传感功能。
中图分类号: TN911;TP212
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172029
中文引用格式: 王峥,王鹤,邓昌晟,等. 一种基于超高频RFID的无线无源压力传感器[J].电子技术应用,2017,43(11):82-85.
英文引用格式: Wang Zheng,Wang He,Deng Changsheng,et al. A UHF RFID wireless passive pressure sensor[J].Application of Electronic Technique,2017,43(11):82-85.

A UHF RFID wireless passive pressure sensor

Wang Zheng1,2,3,Wang He1,2,3,Deng Changsheng4,Liu Yu4,Du Zebao4, Wang Xiaosong4,Ou Haiqing3,Zhao Junfeng5,Xia Yuanyi5
(1.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China; 2.Beijing Engineering Research Center of High-reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China; 3.State Grid Information A Telecommunication Group Co.,Ltd.,Beijing 102211,China; 4.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, Beijing Key Laboratory of Radio Frequency IC Technology for Next Generation Communications,Beijing 100029,China; 5.State Grid Jiangsu Electric Information & Telecommunication Company,Nanjing 210000,China)
Abstract: Electrical equipment may have problems such as decompression or deformation when operating in harsh environment for a long time. To target this issue, this work designs a UHF RFID wireless passive pressure sensor, which can get the surface pressure information without contact electrical equipment. UHF RFID-based pressure sensor device is composed of impedance adaptive RFID chips, UHF band RFID dipole antennas, metal plates and springs. The deformation of the electrical equipment will lead to changes in the relative position of the metal plate and the dipole antenna installed on the device, resulting in changes in the impedance of the RFID antenna. The RFID chip will automatically adjust the input impedance capacitance to match the change of the RFID antenna impedance. By reading the capacitance value of the internal matching impedance of the RFID chip, it is possible to get the one-to-one relationship of the capacitance reading and the deformation of the power equipment, and thus to realize the wireless passive pressure sensing function.

0 引言

    电力设备在长期运行过程中,受环境或人为因素影响,可能会发生逐渐的失压、形变现象,形成安全隐患,严重时可能导致设备损坏、线路停电等电力事故。

    RFID是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据信息[1]

    本文设计了一种基于UHF RFID技术的压力传感器标签,如图1所示。标签主要由阻抗自适应RFID芯片、UHF 频段RFID偶极子天线、金属极板和支撑弹簧构成。当金属板受到外力或压力时,其位置会不同程度的下移,当金属极板逐渐靠近天线时,天线的阻抗会随之改变,导致RFID芯片与天线之间阻抗失配,此时芯片可自动调节输入阻抗(容性阻抗),以满足与天线之间阻抗匹配。金属极板移动的距离不同,对芯片输入阻抗的影响不同,自适应校正电容调整范围也就不同,会产生一一对应的关系,形成一定规律的压力曲线。

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1 阻抗匹配网络

1.1 阻抗匹配

    通常说的天线阻抗匹配是指射频电路输入输出端口阻抗与天线输入输出端口之间的匹配。而电子标签作为典型的片上集成系统(System-on-a-Chip,SoC),其射频端口与电子标签天线是紧密相连的,其阻抗匹配显得尤为重要。

    如图2所示,Pr表示芯片射频端口,Pa表示天线端口,两个端口间通过传输线相连,在标签天线系统中,通常芯片射频端和天线端口是直接相连的,传输线长度影响可以忽略。

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    Pr端口的阻抗为Rr+jXr,Pa端口的阻抗为Ra+jXa,如果存在式(1)关系,则可以称两个端口存在共轭匹配。共轭匹配下,负载所获得的能量最大,RFID系统的使用效率就会最高。

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    电子标签芯片端口阻抗一般为容性电抗,而天线则表现出感性电抗,因此等效电路如图3所示。

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    图3中,Ra为线圈天线电阻,La为线圈天线电感,Cc为芯片射频端口电容,Rc为芯片射频端口电阻。在共轭匹配的条件下有:

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1.2 自适应阻抗匹配电容

    RFID标签芯片采用RFMicron最新版本无源EPC Gen 2超高频(UHF)RFID芯片Magnus S3。该芯片带有自适应阻抗的匹配电容。Magnus S3芯片有9位精度的传感器编码,即实际上匹配电容值有485种不同的状态,对应电容值在1.9 pF~2.9 pF,其最小电容调节精度为2.06 fF[2]

    Magnus S3传感芯片使用一种称为Chameleon技术的自适应电路,可在不需要外置电池或外置传感设备的情况下提供传感能力,可以使得标签在宽频范围和环境条件中做出自适应调节。对于任意的天线环境,Chameleon引擎都能够自动地调节MagnusS3芯片的阻抗匹配。所以Magnus S3不需要外置电池或外置传感设备的情况下提供传感能力,用于读取环境变化引起的阻抗变化,例如温度的升高或降低或者流体的存在。如图4,Magnus S3 RFID标签芯片的天线自动匹配调节单元由天线谐振匹配回路和数字控制电路部分组成。

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    阻抗特性如表1所示。

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    Magnus S3有根据天线环境自适应改变匹配电容的特性。利用这个特性,可以人为地改变天线环境,即可以人为地调整天线周围金属板与天线的距离,从而调整天线对于RFID芯片的输入阻抗。Magnus S3会满足匹配输入阻抗的公式:

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使得匹配阻抗电容值与环境等效电感值满足共轭关系。测量电容值的变化即可以得到环境的变化,从而实现距离传感器的功能。

2 传感器天线结构

2.1 天线设计

    如图5所示,天线设计采用超高频Inlay天线结构。在耦合模型中,Inlay标签天线等效分成3个部分,即馈电端口、小环和弯折偶极子。小环等效天线电阻Rc和电感Lc的串联组合,弯折偶极子天线等效为天线电阻Rd与电感Ld的串联组合,电感Lc和Ld之间存在耦合系数M。通过耦合模型,从馈电端口可以得到对应耦合模型的输入阻抗为:

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2.2 传感器标签结构搭建

    测试所用传感器由上极板、下极板、天线PCB、可变长隔离柱组成,图6为传感器天线结构示意图。下极板尺寸100 mm×60 mm,上极板金属尺寸100 mm×40 mm,h1为下极板和天线的隔离柱长度,h2为天线和上极板的隔离柱长度。

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    测试时保持下极板到PCB距离h1高度不变,不断改变上极板到PCB距离h2,通过RFID读写器读取在不同距离h2下电容值的变化。在保持弹簧弹性系数k不变的情况下,不同距离h2下电容值的一一对应关系即可得到压力F=kh2与电容值的一一对应关系。

    等效电路中匹配阻抗电阻值RP=2 073 Ω,电容值CP在1.9 pF~2.9 pF之间变化。满足ck5-3-s1.gif即可满足共轭匹配关系。

3 测试结果与分析

3.1 仿真结果分析

    图7所示为在不同的上极板距离h2变化下频率与天线输入电容的变化曲线,h2在30 mm~80 mm变化。其中,在920 MHz以上的频率段,输入电容值几乎不随着上极板距离h2的变化而变化;在905 MHz左右的频段,输入电容值在h2的30 mm~70 mm变化时有比较明显的线性变化关系。

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3.2 仿真与测试结果分析

    将天线安装后最初测试结果如表2所示。

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    根据以往经验,由于PCB在加工过程中的工艺影响、板材本身的电特性和仿真设置的差异,实际测试较仿真会存在频率下偏的情况,如图7所示的天线的输入电容的仿真结果。在905 MHz附近时,50 mm范围内电容变化范围超过0.6 pF;而在920 MHz频率附近时,天线输入电容几乎没有变化。因此对天线进行优化设计,如图8所示。

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    通过切角的大小来不断使电容-频率曲线沿频率轴上移,将变化范围剧烈的区域移动到测试频率。切角边长为 L,通过不断切角,当L取值11 mm时电容变化范围最大。此情况下,h1取值30 mm,h2从30 mm变化至80 mm时,电容读取值C与h2的对应关系如图9所示,距离按照1 mm步进。读写器得到的电容读取值是寄存器中的数据,为无量纲单位。

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    将步进距离调整到5 mm,可以得到如图10所示电容与距离之间的关系,可以比较明显地看出距离在30 mm~65 mm之间电容值有比较线性的对应关系。

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    进而取上极板距离在30 mm~65 mm之间的关系进行线性拟合,如图11所示。

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    可以得到拟合公式:

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    式中电容读取值C在5~490中变化,对应电容值Cp在1.9 pF~2.9 pF变化。

4 结论

    本文介绍了天线阻抗匹配的原理,并通过可自适应调节阻抗匹配的芯片设计了一种用于电力设备中的无线无源压力传感器方案。通过传感器搭建以及系统仿真与测试,可以实现在一定范围内的无线无源距离测量,通过简单的弹力系数转换即可实现无线无源压力传感器的功能,适用于电力设备无源非接触式压力检测等应用场景。

参考文献

[1] 陈新河.无线射频识别(RFID)技术发展综述[J].信息技术与标准化,2005(7):20-24.

[2] RFMicron,Inc.Magnus?誖-S3 RFID tag chip datasheet[Z].2015.

[3] ISO/IEC 18000-6.International standardization organization[S].2013.

[4] 邓小莺,汪勇,何业军.无源RFID电子标签天线理论与工程[M].北京:清华大学出版社,2016.

[5] 罗志勇,胡俊锋,张彬.用于金属表面的UHF RFID标签天线优化设计[J].微波学报,2015,31(3):31-35.

[6] KOO T W,KIM D,RYU J I,et al.Design of a labeltyped UHF RFID tag antenna for metallic objects[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2011,10(3):1010-1014.

[7] MO L,ZHANG H.RFID antenna near the surface of metal[C].International Symposium on Microwave,Antenna,Propagation and Emc Technologies for Wireless Communications.IEEE Xplore,2007:803-806.

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